天然氣場站氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬分析

馬新雨，殷建國，湯天平，徐飛

1.保山中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?，云南保?51700

2.天津市振津工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，天津300384

天然氣場站氣體擴(kuò)散數(shù)值模擬分析

馬新雨1，殷建國1，湯天平2，徐飛2

1.保山中石油昆侖燃?xì)庥邢薰荆颇媳Ｉ?51700

2.天津市振津工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，天津300384

天然氣門站是城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的重要組成部分，屬于易燃易爆場所，主要風(fēng)險(xiǎn)為天然氣的擴(kuò)散及其火災(zāi)爆炸。本文介紹了PHAST軟件的功能和特點(diǎn)，舉例說明了該軟件在門站天然氣擴(kuò)散分析中的應(yīng)用，論證了模擬分析對安全預(yù)防的重要意義，對模擬的情況采用移動(dòng)遙測式甲烷激光探測儀進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)際檢測結(jié)果比較一致。

門站；天然氣泄漏；數(shù)值模擬；甲烷激光探測儀；應(yīng)用

天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是甲烷，另外有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)即使僅為5%，遇火源即可發(fā)生爆炸[1]，因此天然氣的安全使用越來越受到政府、企業(yè)以及居民的重視。天然氣管道漏失的天然氣體積一般大約占輸氣總體積量的10%，漏失現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。2015年6月23日，中石油在云南運(yùn)營的昆明東支線在昆石高速小團(tuán)山隧道旁的天然氣管道被挖掘機(jī)破壞后發(fā)生泄漏，事發(fā)地點(diǎn)距離昆明約30 km，靠近一個(gè)高速公路隧道[3]。2015年10月底，美國洛杉磯郊區(qū)亞里索峽谷（Aliso Canyon）發(fā)生嚴(yán)重天然氣儲井泄漏事件，總共泄漏約2億磅（1磅=0.454 kg）天然氣，4 460戶人家臨時(shí)遷居到旅館或短期住處，肇事方將面臨9億美元罰款[4]。由于天然氣被視為清潔能源之一，因此國家大力推廣天然氣在工業(yè)、商業(yè)以及居民中的應(yīng)用，在環(huán)保意識越來越強(qiáng)的今天，天然氣的利用也越來越廣泛，越來越貼近人民生活，因此加強(qiáng)天然氣安全事故的預(yù)防就顯得特別重要。

1　天然氣場站事故類型

天然氣集輸系統(tǒng)如圖1所示，門站與城市燃?xì)夤艿烂芮邢嚓P(guān)，是城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的重要組成部分，屬于易燃易爆場所[5]。云南昆侖燃?xì)獗Ｉ焦咎烊粴忾T站始建于2014年，設(shè)計(jì)輸量55萬m3/d，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度為常溫，門站內(nèi)有工藝裝置區(qū)、綜合設(shè)備間、綜合辦公樓以及放空區(qū)。天然氣門站裝置的主要事故類型為：天然氣的擴(kuò)散及由擴(kuò)散引發(fā)的火災(zāi)、爆炸，見表1。

當(dāng)天然氣發(fā)生泄漏后，遇明火會(huì)引起火災(zāi)。而火災(zāi)的發(fā)生都伴隨著熱輻射的產(chǎn)生，當(dāng)熱輻射作用在可燃物上，能引起燃燒；當(dāng)作用于人員，可能引起人員燒傷甚至死亡；當(dāng)作用于容器設(shè)備時(shí)，能引發(fā)容器設(shè)備超壓破裂。因此，研究火災(zāi)熱輻射的影響距離對火災(zāi)救援和預(yù)防次生災(zāi)害的發(fā)生具有重要意義。不同熱輻射強(qiáng)度影響效應(yīng)如表2所示[6]，不同爆炸強(qiáng)度的危害情況如表3～4所示。

圖1　天然氣集輸系統(tǒng)

表1　天然氣門站裝置可能引起的事故類型

表2　不同熱輻射強(qiáng)度的影響效應(yīng)

表3　爆炸強(qiáng)度對工藝設(shè)備和建筑物的危害

表4　爆炸強(qiáng)度對人的危害

2　PHAST軟件在保山門站的應(yīng)用

PHAS T（Process Hazard Analysis Software Tool）軟件是由挪威DNV公司開發(fā)的一款專門用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和計(jì)算的應(yīng)用軟件。在石油化工公司、工程建設(shè)公司、安全咨詢公司中得到廣泛應(yīng)用。該軟件通過輸入假定發(fā)生事故時(shí)的一些數(shù)據(jù)，如設(shè)備類型、工藝介質(zhì)、存儲參數(shù)及周圍環(huán)境因子（大氣溫度、濕度、穩(wěn)定度、風(fēng)速）等，即可模擬出石油化工裝置可能發(fā)生的火災(zāi)及爆炸事故的影響范圍和程度，可為事故發(fā)生后的應(yīng)急處置和現(xiàn)場控制、相應(yīng)的安全對策措施、企業(yè)應(yīng)急預(yù)案的制訂等提供科學(xué)的依據(jù)。我國GB 50074-2002《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》編制組也曾用該軟件對油罐火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算，為油罐安全間距設(shè)定提供參考。PHAST軟件主要包括4方面功能：

（1）泄漏模塊——計(jì)算物質(zhì)泄漏到環(huán)境中的流速等參數(shù)。

（2）擴(kuò)散模塊——在天氣情況和泄漏模塊基礎(chǔ)上計(jì)算得到云團(tuán)的傳播情況。

（3）燃燒模塊——計(jì)算可燃性后果，用熱福射與沖擊波超壓表示。

（4）毒氣擴(kuò)散模塊——計(jì)算氣體濃度變化與毒氣致死情況。

本案例分別研究保山天然氣門站在距離接入總管5 m和15 m處（見圖2）發(fā)生泄漏后的影響，門站運(yùn)行的基本信息如表5所示。

圖2　保山門站位置圖及模擬工況

表5　門站運(yùn)行基本信息

2.1工況一

一般輸氣管道泄漏后，泄漏氣體濃度達(dá)到爆炸極限，可能導(dǎo)致爆炸。爆炸產(chǎn)生的熱輻射及沖擊波對人體和設(shè)備都有極大的傷害。因此本案例主要模擬氣體泄漏后濃度、熱輻射及沖擊波的影響范圍。工況一為輸氣管道距接入總管5 m處泄漏擴(kuò)散模擬，下列曲線圖中（0，0）點(diǎn)為泄漏原點(diǎn)。

天然氣爆炸極限范圍為5萬～15萬ppm（1 ppm=10-6體積分?jǐn)?shù)），人體可承受最大熱輻射通量為4 kW/m2，模擬本站氣體泄漏后，爆炸下限及人體承受最大熱輻射通量如圖3～4所示。圖5～9明確了氣體濃度、熱輻射、沖擊波與泄漏原點(diǎn)的距離關(guān)系。

圖3　泄漏濃度5萬ppm影響范圍GIS圖

圖4　輻射強(qiáng)度4 kW/m2影響范圍GIS圖

圖5　泄漏濃度與距離關(guān)系平面圖和剖面圖

由圖5可以看出：爆炸極限濃度與距離、大氣狀況密切相關(guān)。大氣穩(wěn)定度在5D、1.5D和1.5F工況下，極限濃度距離分別為15～23.5 m、18～22 m和18.5～20.5 m。大氣越不穩(wěn)定越有利于擴(kuò)散，爆炸極限濃度的距離也會(huì)相應(yīng)變大。

由圖6～7可以看出：爆炸后產(chǎn)生的熱輻射與泄漏中心點(diǎn)距離、大氣穩(wěn)定度之間的關(guān)系微乎其微，只有地面風(fēng)速對其影響較大。

由圖8～9可以看出：沖擊波的影響范圍與熱輻射影響范圍、泄漏中心點(diǎn)距離和大氣穩(wěn)定度密切相關(guān)。

圖6　噴射火輻射強(qiáng)度與距離關(guān)系

圖7　噴射火輻射強(qiáng)度4 kW/m2范圍

圖8　爆炸沖擊波強(qiáng)度

圖9　爆炸沖擊波強(qiáng)度與距離關(guān)系

2.2工況二

圖10～16是輸氣管道距接入總管15 m處泄漏擴(kuò)散的模擬結(jié)果。

圖10　泄漏濃度5萬～15萬ppm影響范圍

圖11　噴射火輻射強(qiáng)度4 kW/m2影響范圍

圖12　三種氣象條件下泄漏濃度與距離關(guān)系平面圖和剖面圖

圖13　噴射火輻射強(qiáng)度與距離關(guān)系

圖14　噴射火輻射強(qiáng)度4 kW/m2范圍

圖15　爆炸沖擊波強(qiáng)度

圖16　爆炸沖擊波強(qiáng)度與距離關(guān)系

根據(jù)工況二可以得出：如果輸氣管道在此處泄漏，對此門站的影響范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大（見圖10～11），對門站站房中人員的傷害會(huì)加重。

根據(jù)兩個(gè)工況的模擬結(jié)果可以得到：距離泄漏中心點(diǎn)100 m以外熱輻射不會(huì)對人體造成傷害；距離爆炸中心點(diǎn)260 m范圍內(nèi)，沖擊波將能使大部分人死亡，建筑物結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。

2.3甲烷激光檢測儀現(xiàn)場檢測

經(jīng)在保山門站采用移動(dòng)式天然氣管道泄漏探測儀進(jìn)行測試并與以上數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件，模擬數(shù)據(jù)與測試結(jié)果誤差在5%～10%之間，理論分析與實(shí)際結(jié)果基本吻合，因此數(shù)值模擬分析可為事故造成的影響進(jìn)行預(yù)判。

3　結(jié)束語

通過對天然氣門站泄漏的數(shù)值模擬，并結(jié)合我公司對現(xiàn)場的檢測對比，其模擬結(jié)果與檢測結(jié)果比較接近，模擬結(jié)果可為事故發(fā)生時(shí)的應(yīng)急處置和現(xiàn)場控制，提供相應(yīng)的安全對策措施、企業(yè)應(yīng)急預(yù)案的制訂等提供科學(xué)的依據(jù)，為保障門站安全運(yùn)營奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1]朱伯齡，於孝春.PHAST軟件對液化天然氣泄漏擴(kuò)散的研究[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2009，26（11）：1 418-1 421.

[2]夏慧，劉文清，張玉鈞，等.基于菲涅耳透鏡開放光路天然氣泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（3）：844-847.

[3]新華網(wǎng).云南中石油昆侖燃?xì)饫ッ鳀|支線天然氣管道泄漏[EB/OL].（2015-06-24）[2016-04-04].http://news. xinhuanet.com/energy/2015-06/24/c_127943520.htm.

[4]搜狐網(wǎng).美國亞里索峽谷史上最大天然氣泄漏事故，前因后果細(xì)說分明[EB/OL].（2016-02-19）[2016-04-04].http://mt.sohu. com/20160219/n437913749.shtml.

[5]蔣立軍，劉峰，高震，等.PHAST軟件在輸氣站場泄漏事故后果評估中的應(yīng)用[J].當(dāng)代化工，2015（1）：292-294.

[6]魏沁汝.天然氣長輸管道高后果區(qū)識別與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2015.

NumericalSimulation Analysis ofGas Diffusion at NaturalGas Station

MAXinyu1，YIN Jianguo1，TANG Tianping2，XU Fei2
1.PetroChina Baoshan Kunlun Gas Co.，Ltd.，Baoshan 651700，China
2.Tianjin Zhenjin Engineering Design&Consultant Co.，Ltd.，Tianjin 300384，China

Natural gas gate station is an important part of urban gas pipeline system，which belongs to the inflammable and explosible places with the main risks of natural gas diffusion，fire and explosion.This paper introduces the functions and features of PHAST software，illustrates the application of the software in natural gas diffusion at gate station，demonstrates the significance of simulation analysis for the safety prevention.The simulated results are verified by the mobile telemetry methane laser detector.It is shown that the simulated results and the actually tested results are coincident.

gate station；naturalgas leakage；numericalsimulation；methane laser detector；application

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.014

馬新雨（1984-），男，云南楚雄人，助理工程師，2006年畢業(yè)于華北科技學(xué)院安全工程專業(yè)，現(xiàn)從事城市燃?xì)夤芾矸矫娴墓ぷ鳌?/p>

Email：zectangtianping@163.com

2016-07-14；

2016-08-15